High-quality CVD graphene for spintronic applications

Abstract

Aquesta tesi s’ha basat en la síntesi i el processament del grafè per tal d’obtenir les condicions òptimes per a la seva utilització en aplicacions d’espintrònica. La tesi està emmarcada en dos camps de recerca punters: el món del grafè amb la seva riquesa de propietats úniques i el camp de l’espintrònica que explora el grau de llibertat de l’espí de l’electró de cara a noves aplicacions en informàtica i tecnologia de comunicacions (com és ara els dispositius de lògica i d’emmagatzematge d’informació). En aquest context, el grafè és un material prometedor de cara a transportar l’espí amb grans longituds de difusió. Per aconseguir-ho, és clau que el grafè sigui d’alta qualitat amb el mínim de centres de dispersió, tant en el moment de la seva producció com en el processat. Per tant, en aquesta tesi s’ha fet un gran esforç per optimitzar els paràmetres de creixement pel mètode de deposició química per vapor (CVD). S’han aconseguit vàries contribucions rellevants en aquest camp:

-S’ha demostrat la importància de la reacció inversa del grafè (“gravat”) durant el creixement, la qual comença a dominar per a temps llarg de creixement, degut a un augment de la concentració d’hidrogen in-situ. Aquest és un fenomen que ha estat ignorat anteriorment però que és de gran rellevància degut al seu efecte sobre l’estructura i la morfologia del grafè. S’ha aconseguit una caracterització completa de l’evolució de la forma dels dominis de grafè ajustant el temps de creixement, el flux dels gasos precursors i el confinament del catalitzador, fet que permet identificar millor l’inici del procés de “gravat”. Controlar aquest efecte és molt important per minimitzar els defectes estructurals induïts per la reacció inversa ja que poden afectar el transport d’electrons/spins.

-S’ha introduït un nou tractament previ del catalitzador de coure per reduir els punts de nucleació per al creixement del grafè. La supressió dels punts de nucleació és molt important per tal de promoure un creixement més monocristal•lí del grafè i així minimitzar la dispersió dels electrons en la frontera dels grans de cristall del grafè. El procediment es basa en un procés de curat tèrmic assistit per fotocatàlisi, que elimina eficaçment els contaminants de carboni que són punts actius per a la nucleació del grafè.

-S’ha demostrat una distància de propagació d’espí rècord, superior als 30 micròmetres, en el canal de grafè. Aquest resultat s’ha obtingut utilitzant grafè CVD d’alta qualitat crescut sobre platí i una tècnica de fabricació de dispositius recentment desenvolupada que minimitza la contaminació/ els defectes estructurals durant el processament del grafè. La vida útil de l’espí i les longituds de relaxació obtingudes han resultat ser els valors més alts aconseguits a temperatura ambient en comparació amb previs resultats obtinguts en condicions similars, és a dir, amb grafè CVD sobre substrat estàndard de SiO2/Si.

Esta tesis se ha basado en ajustar la síntesis y el procesamiento de grafeno para el desarrollo de dispositivos espintrónicos optimizados. La tesis está enmarcada en dos temáticas punteras: el mundo del grafeno con su riqueza de propiedades únicas y el campo de la espintrónica que explora el grado de libertad del espín de los electrones para nuevas aplicaciones en tecnología de la información y la comunicación (por ejemplo, dispositivos de lógica y almacenamiento de información). En este contexto, el grafeno es un material muy prometedor para transportar el espín con longitud de difusión alta. Para lograr esto, un grafeno de alta calidad con mínimos centros de dispersión de electrones es un parámetro clave y debe asegurarse estas propiedades desde el momento de su crecimiento y durante su procesamiento. Por lo tanto, en esta tesis, se han invertido muchos esfuerzos para ajustar los parámetros de crecimiento del grafeno mediante la deposición química por vapor (CVD). Se han logrado varias contribuciones relevantes en el campo:

- Se ha demostrado la importancia de la reacción inversa del grafeno (“etching”) durante el crecimiento, la cual comienza a dominar a tiempos largos de crecimiento debido a un aumento in-situ de la concentración de hidrógeno. Este es un fenómeno que se ha ignorado anteriormente pero que es muy importante a tener en cuenta ya que afecta la estructura y morfologia del grafeno. Se ha logrado una caracterización completa de la evolución de la forma de los dominios del grafeno ajustando el tiempo de crecimiento, el flujo de precursores de gases y el confinamiento del catalizador lo cual permite identificar mejor el inicio del proceso de “etching”. Controlar este efecto es muy relevante para minimizar los defectos estructurales inducidos por la reacción inversa ya que pueden afectar el transporte de electrones / espines.

- Se ha introducido un nuevo pretratamiento del catalizador de cobre para reducir los sitios de nucleación para el crecimiento de grafeno. La supresión de los sitios de nucleación es muy importante para promover un crecimiento más monocristalino de grafeno y minimizar así la dispersión de electrones en las fronteras de los granos de cristal de grafeno. El procedimiento se basa en un proceso de curado térmico asistido por fotocatalisis que elimina eficientemente los contaminantes carbono que son sitios activos para la nucleación de grafeno.

- Se ha demostrado una propagación récord de espín de más de 30 micrómetros en el canal de grafeno. Dicho resultado se logró utilizando grafeno CVD de alta calidad crecido sobre platino y una técnica de fabricación de dispositivos recientemente desarrollada que minimiza la contaminación / defectos estructurales durante el procesamiento de grafeno. La vida útil del espín y las longitudes de relajación resultaron ser los valores más altos en contrados a temperatura ambiente en comparación a resultados previos obtenidos en condiciones similares, es decir grafeno CVD sobre sustrato estándar de SiO2 / Si.

“This thesis has focused on tuning the synthesis and processing of graphene to achieve optimized spintronic applications. Thus the thesis is framed in two cut-edging topics: the graphene world with its richness of unique properties and the field of spintronics which explores the spin degree of freedom of the electrons for novel applications in information and communication technology (e.g. information storage and logic devices). Under this context graphene is a very promising spin channel material to transport spin with long spin diffusion lengths. To accomplish that, a high quality-graphene with minimum electron scattering centers is a key parameter and must be ensured from the moment of its production and during its processing. Accordingly, in this thesis, a lot of efforts have been invested to fine-tune the growth parameters of graphene by chemical vapor deposition (CVD). Several relevant contributions in the field have been achieved:

-THE DEMONSTRATION of the importance of the graphene etching backreaction during growth which begins to dominate at long growth times due to an in-situ increase of hydrogen concentration. That is a phenomenon that has been previously ignored but very important to consider since it impacts on the graphene domain reshaping. A thorough characterization of the graphene domain shape evolution has been accomplished by tuning the growth time, the flow of gas precursors and the catalyst confinement which allows better identifying the onset of the etching process. Controlling this effect is very relevant to minimize structural defects induced by etching which can impact the electron/spin transport.

-THE INTRODUCTION of a novel pretreatment of the copper catalyst to reduce nucleation sites for graphene growth. The suppression of nucleation sites is very important to promote a more single-crystalline growth of graphene and thus minimize electron scattering at the domain boundaries of the graphene crystal grains. The procedure is based on a photocatalyst-assisted thermal annealing process that efficiently removes carbonaceous contaminants which are active sites for graphene nucleation.

-THE DEMONESTRATION of record-long propagation of spins over 30 micrometers at the graphene channel. Such output was achieved using high-quality CVD graphene grown on platinum foil and a newly developed device fabrication technique which minimizes contamination/structural defects during graphene processing. The spin lifetimes and relaxation lengths were the highest values reported at room temperature in CVD grown graphene on a standard substrate, SiO2/Si.